Aménagements de cours d’eau

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Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Protection contre les érosions du lit Protection contre les érosions du lit

Î Augmentation de la résistance du lit

y lit artificiel (canal bétonné)

y pavage du lit par des blocs en pierre (couche de pavage artificiel) y renforcer le lit par de gros blocs (rocher ou éléments en béton)

Î Réduction de la pente du lit

y fixation du lit par des traversées (seuils en bois, pierres de taille, béton) y fixation du lit par des rampes de blocs

y changement du tracé du cours d'eau (prolongement du talweg par des méandres, etc.)

Diverses possibilités

Aménagements de cours d’eau

Protection contre les érosions du lit Protection contre les érosions du lit

Î Elargissement du lit

y élargissement sur longues distances y élargissement local

y dérivation partielle du cours d'eau dans un lit secondaire

Î Intervention sur le transport solide

y renversement du gravier dans le cours d'eau (localement à l'amont du tronçon érodé)

Diverses possibilités ^(suite)

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Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Stabilisation des lits contre l'érosion Stabilisation des lits

contre l'érosion

Fixation du lit par des ouvrages transversaux:

a) seuil; b) coursier bétonné; c) rampe de blocs; d) rampe de blocs à grande rugosité

e) coursier avec pavage artificiel; f) seuils en bois

Aménagements de cours d’eau

Stabilisation des lits contre l'érosion Stabilisation des lits contre l'érosion

Fixation du lit par des ouvrages transversaux:

g) seuil de fixation en blocs, h) seuil de fixation en bois; i) traversée; k) seuil en bois avec

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Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Rampes en blocs – Types et concept Rampes en blocs – Types et concept

rampes fixes en béton (revêtues de pierres en taille)

Type et matériaux Rugosité de surface très lisse

rampes fixes en blocs de rocher placés

dans une couche de béton assez rugueux

rampes mobiles en gros blocs posées

en espaces réguliers rugueux

rampes mobiles en gros blocs posées en

espaces irréguliers (en remblai) très rugueux

Aménagements de cours d’eau

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Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Aménagements de cours d’eau

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Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Rampe dénoyée construite en blocs h _cr

Ligne d'énergie Lit normal

Lit pendant la crue

Rampe noyée construite en blocs

Conditions d'écoulement sur une rampe lisse et une rampe rugueuse.

Influence de la rugosité sur l'affouillement au pied.

Fonctionnement hydraulique des rampes en blocs

Fonctionnement hydraulique

des rampes en blocs

Aménagements de cours d’eau

Dimensionnement des rampes en blocs Dimensionnement des rampes en blocs Processus lors de la destruction

Ö l'érosion directe des blocs, c'est-à-dire l'instabilité des blocs particuliers due aux forces d'écoulement (renversement,

glissement et transport par l'écoulement)

Ö l'érosion indirecte de la rampe par lavage des matériaux du lit situé au-dessous se fait à travers les joints entre les blocs

Ö l'affouillement du pied stabilisant de la rampe

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Aménagements de cours d’eau

Erosion directe de la rampe par l'instabilité des blocs particuliers Erosion directe de la rampe par l'instabilité des blocs particuliers

Critère empirique selon Whittaker, Jäggi (1986):

avec q : débit par mètre de largeur sur la rampe [m ³ /s]

s : densité des blocs par rapport à l'eau D : diamètre des blocs [m]

J : pente de la ligne d'énergie sur la rampe

(en cas d'un enrochement uniforme égal à la pente du lit)

⋅ − ⋅ ₆₅ ³ = ^{7 / 6} 0.257 ( 1)

q

g s D J

Aménagements de cours d’eau

Erosion indirecte de la rampe par lavage de la fondation Erosion indirecte de la rampe par lavage de la fondation

Ö Modes de rupture possibles

Š ^D/d _m ^{> 17:} affaissement des blocs dans le lit mobile de la fondation

Š ^D/d _m ^{< 6 :} gros blocs glissent sur la fondation à cause de leur exposition importante

Ö Equation empirique pour D/d _m > 10 selon Whittaker, Jäggi (1986)

avec q : débit unitaire sur la rampe [m ³ /sm]

J : pente de la ligne d'énergie sur la rampe

D : diamètre équivalent d'une sphère ayant le poids des blocs moyens [m]

d ₆₅ : diamètre caractéristique des matériaux du lit de la fondation de la rampe [m]

β : densité de pose des blocs en t/m ²

β ρ

⎛ − ⎞ ⎛ ⎞

= ⋅ ⎜ ⎝ ⎟ ⎠ ⋅ ⋅ ⋅ ⎜ ⎝ ⎟ ⎠

2.35 2.35 2

65 0.85 1.9

14.47 1

s

d

q g s

D J D

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Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Affouillement du pied de la rampe Affouillement du pied de la rampe Ö Empêcher l'affouillement du pied de la rampe par

l'aménagement d'une surface rugueuse sur la rampe

Ö Estimation de l'affouillement au pied avec l'équation Tschopp- Bisaz (1972)

avec S : profondeur de l'affouillement au-dessous du niveau d'eau [m]

q : débit unitaire sur la rampe [m ³ /sm]

v : vitesse d'écoulement au pied de la rampe [m/s]

d ₉₀ : diamètre caractéristique des matériaux du lit [m]

= 0.85 ⋅ ⋅ − 7.125 ₉₀

S q v d

Aménagements de cours d’eau

Mesures constructives contre l'affouillement du pied des

rampes en blocs

Mesures constructives contre l'affouillement du pied des

rampes en blocs

Tapis en blocs

Lit construit Affouillement

NW Niveau d'étiage

Prolongation de la rampe jusqu'à

la profondeur maximale de l'affouillement

Stabilisation du pied avec des rails de chemin de fer

ou des pieux (selon Jäggi 1999/2000).

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Aménagements de cours d’eau

Disposition d'une rampe incurvée en plan Disposition d'une rampe incurvée en plan

Afouillement

Aménagements de cours d’eau

Stabilisation des lits par un lit artificiel

Stabilisation des lits par un lit artificiel

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Aménagements de cours d’eau

Aménagements de cours d’eau

Couche de pavage artificiel

Couche de pavage artificiel

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Aménagements de cours d’eau

Aménagements de cours d’eau

Théorie du charriage - début du mouvement Théorie du charriage - début du mouvement

Sous-couche du lit

(charriage permanent) Hauteur d'eau h _cr pour laquelle le début du mouvement se produit :

J

d 1) - cr (s

h cr = θ ^mUS

J : pente de frottement.

θ _cr : contrainte de cisaillement critique adimensionnelle θ _cr > 0.047 charriage bien développé.

θ _cr = 0.03 - 0.047 pas de charriage régulier.

θ _cr < 0.03 aucun mouvement.

d _mUS : diamètre moyen des grains de la sous-couche.

s : densité spécifique s = ρ / ρ.

Pavage du lit

Hauteur d'eau h _cr pour laquelle le pavage du lit est détruit.

a) avec d _mDS = d _{90 US}

J

d ) 1 s h (

_cr = θ ^cr − ^{90 US}

b) selon Günter

(0.4% < J < 2%)

67 . 0 d

d J

d ) 1 s cr ( h cr

mUS mDS mDS

⎟ ⎟

⎟

⎠

⎞

⎜ ⎜

⎜

⎝

− ⎛

= θ 1

1 2

2

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Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Le début du charriage Le début du charriage

Diagramme de Shields

Contrainte de cisaillement adimensionnelle

( ^{s 1} ) ^d

g −

ρ

= τ θ

( ^{s h − J 1} ) ^d

= θ

(par définition)

h : hauteur d’eau

J : pente de frottement d : diamètre des grains s : ρ ^s ρ = ^{2 . 6} ÷ ^{2 . 7}

h<<b

3 / 1 2 50 s

*

d g

d ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

ρ υ ρ

−

= ρ

Diamètre adimensionel

θ cr

= θ

θ

Aménagements de cours d’eau

Stabilisation des lits par des gros blocs Stabilisation des lits

par des gros blocs

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Aménagements de cours d’eau

Aménagements de cours d’eau Renforcement du lit avec des gros blocs Renforcement du lit avec des gros blocs

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Aménagements de cours d’eau

Aménagements de cours d’eau

Renforcement du lit avec des gros blocs

Renforcement du lit avec des gros blocs

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Aménagements de cours d’eau

Calcul hydraulique en considérant de gros blocs Calcul hydraulique en considérant de gros blocs

Î résistance hydraulique des matériaux de base du lit (sans gros blocs)

c _s

R _s : rayon hydraulique de l'écoulement sur le lit

k _s : élément de rugosité déterminant des matériaux de base du lit k _s = 1.5 d _mD

d _mD : diamètre moyen de la couche de pavage des matériaux de base (d _mD ≈ d ₉₀ )

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

=

s ' s

* m

k In R

V .

V 12

5

2

Aménagements de cours d’eau

Calcul hydraulique en considérant de gros blocs Calcul hydraulique en considérant de gros blocs

Î résistance hydraulique des blocs résiduels c _b

k _b : élément de rugosité déterminant des blocs résiduels

D: diamètre équivalent du bloc résiduel

a: concentration adimensionnelle de surface des blocs résiduels ≈ n · D ² n = concentration de surface des blocs résiduels [m ² ]

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

=

b ' s

* m

k In R

V .

V 12

5 2

D k _b

= ⎟

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ −

D . h

.

a 17 8 0 47

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Aménagements de cours d’eau

Calcul hydraulique en considérant de gros blocs Calcul hydraulique en considérant de gros blocs

Î résistance totale du lit

Î vitesse moyenne d'écoulement (loi de Chézy)

Î calcul de la pente réduite du lit J'

et ainsi

2 2

2

1 1

1

b

s c

c c = +

J R g c

V _m = ⋅ _s ⋅ ' J R g

V _* ^' = _s ⋅

' J R g

J R g c V

c V

s s

* ' s = m =

2

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= ⎛

c s

J c

'

J

Aménagements de cours d’eau

Calcul hydraulique en considérant de gros blocs Calcul hydraulique en considérant de gros blocs

d _m : diamètre moyen de la sous-couche des matériaux de base du lit (sans blocs résiduels)

m s

d ) s

(

' J R

− 1

= ⋅ θ

Contrainte adimensionnelle agissant sur les matériaux de base du lit

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Aménagements de cours d’eau

Calcul hydraulique en considérant de gros blocs Calcul hydraulique en considérant de gros blocs

θ _c : coefficient de Shields pour un lit comparable composé de grains unitaires (θ _c = 0.05)

d _mD : diamètre moyen de la couche de pavage des matériaux de base (d _mD ≈ d ₉₀ )

Résistance des matériaux de base selon Günter (1971)

Condition limite pour l'érosion de la couche de pavage

3 2 /

m c mD

cD d

d ⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= θ ⎛ θ

θ > θ cD

Aménagements de cours d’eau

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Aménagements de cours d’eau

Aménagements de cours d’eau

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Aménagements de cours d’eau

Aménagements de cours d’eau

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Aménagements de cours d’eau

Aménagements de cours d’eau

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Aménagements de cours d’eau

Aménagements de cours d’eau

Stabilisation des lits des des rives par des blocs artificiel Stabilisation des lits des des rives par des blocs artificiel

q _* = 0.4 J ^-1/3

selon Bezzola, 2005

q _* = q

g(s − 1) V

V _{nˇ c} = 6.25q ²

J ^{−2 / 3} g(s − 1)

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Aménagements de cours d’eau

Renforcement des lits par des seuils

Renforcement des lits par

des seuils

Aménagements de cours d’eau

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Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Buts et inconvénients des seuils Buts et inconvénients des seuils

Ö Stabiliser le lit des rivières à forte pente

Ö Diminuer la pente du lit pour obtenir la pente d'équilibre

Ö Comme déversoirs dénoyés pour les débits égaux ou inférieurs au débit de dimensionnement

Ö Obstacle à la libre migration de poissons;

Ö Fondation profonde pour garantir la stabilité des affouillements au pied;

Ö Réalisation difficile en présence de l'eau (dérivation coûteuse du cours d'eau pendant la construction).

Buts Buts

Fonctionnement Fonctionnement

Inconvénients

Inconvénients

Aménagements de cours d’eau

Dimensionnement et emplacement des seuils Dimensionnement et emplacement des seuils

Ö Ecoulement sur les seuils

avec le coefficient de débit C _d = 0.326 pour un seuil large

Ö Alluvionnement du lit par les seuils:

Ö Hauteur nécessaire du seuil:

avec d'environ 0.5 à 1.0 m

Ö

= _d ⋅ ⋅ 2 ^{3 / 2}

Q C b g H

∆ = h ( J ₀ − J L ) ⋅

≥ ∆ + ∆ ≥ ( ₀ − _cr ) ⋅ + ∆

s h z J J L z

∆z − ∆ ∆

≤ s z = h L

J

J ₀ S

∆Z

∆h J

L

J

J ₀ S

∆Z

∆h J

L

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Aménagements de cours d’eau

Estimation de l'affouillement au pied des seuils Estimation de l'affouillement au pied des seuils

Î granulométrie grossière du lit (Kotoulas, 1973) Î granulométrie fine du lit (Tschopp/Bisaz, 1972)

avec S : profondeur de l'affouillement au-dessous du niveau d'eau à l'aval du seuil

q : débit spécifique sur le seuil (= Q/b)

H : différence entre les charges amont et aval du seuil d ₉₀ : diamètre caractéristique des grains du lit

= ^0.35 _0.4 ⋅ ^0.7

90

0.78 H q

S d

= 2.76 ⋅ ^0.5 ⋅ ^0.25 − 7.22 ₉₀

S q H d

Aménagements de cours d’eau

Traversées – Utilisation et fonctionnement Traversées – Utilisation et fonctionnement

Î ouvrages transversaux ou seuils à faible hauteur, espacés étroitement, pour la stabilisation du lit

Î conditions d'écoulement sur les traversées

a) petits débits avec écoulement critique sur les traversées (déversoir dénoyé),

comportement similaire aux seuils b) écoulement avec surface ondulée,

l'affouillement que se produit

est analogique aux dunes ou anti-dunes

c) écoulement fortement torrentiel avec une

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Aménagements de cours d’eau

Dimensionnement des traversées

Dimensionnement des traversées

Î calcul non explicite avec l'hypothèse sur la pente réduite J', le rayon hydraulique R b , le niveau du lit pour h _m

Î il en résulte:

y _max est inconnu et doit donc être estimé au début du calcul.

Puis, avec une loi de vitesse connue (Strickler ou Keulegan) on obtient Le calcul des pertes de forme selon Bordat-Carnot donne:

avec L comme distance entre les traversées.

avec la condition

la valeur y _max peut donc être trouvée par itération

= _, +

2

b b red max

R R y

= ( , ')

m b

v f R J

⎛ ⎞

= ⎜ ⎜ ⎝ + ⎟ ⎟ ⎠

2 2

max

, max

'' 1 2

m

b red

y J V

g R y L

= + ' ''

J J J

Aménagements de cours d’eau

Dimensionnement des traversées Dimensionnement des traversées Ö Affouillement maximal sans apport de charriage

avec L : distance entre les traversées q : débit spécifique

Cette équation est valable pour

et 1.39‰ (q _B : débit solide spécifique)

⋅ ⋅

= ⋅

− ⋅

0.5 0.5 0.67

0 max 0.25 0.42

90

1.25 ( 1)

q J L

y s g d

< ₉₀ <

10 L d / 340

= ρ <

* ^B ⋅

s

q q

q

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Aménagements de cours d’eau

Dimensionnement des traversées Dimensionnement des traversées Ö Affouillement avec apport de charriage

Ö Sécurité contre le changement du régime Ö Profondeur maximale

d'eau

ρ

⎛ ⎞

= ⎜ − ⋅ ⋅ ⎟

⎝ ⎠

= ⋅

0.12

max 0 max

90

1 0.53 *

avec * ^B

s

y y J L q

d q q

q

max < 0.2

y L

= ⋅

− ⋅ ⋅ ⋅

0.88

max 0.44 0.3 0.02 0.09

90

0.9 1

( 1) z q

s g d L J

Aménagements de cours d’eau

Types de traversées

Types de traversées

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Laboratoire de constructions hydrauliques

Aménagements de cours d’eau

Types de traversées

Types de traversées

Aménagements de cours d’eau

Traversée en bois avec refuge pour poissons Traversée en bois avec

refuge pour poissons

refuge pour poissons

3 5

4

1 1

6

2

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Aménagements de cours d’eau

Kl. Schliere, Alpnach

Kl. Schliere, Alpnach

Aménagements de cours d’eau Unwetter August 2005 Kl. Schliere, Alpnach Unwetter August 2005

Kl. Schliere, Alpnach

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Aménagements de cours d’eau

Protection contre les érosions Protection contre les érosions

Î Augmentation de la résistance du lit

y lit artificiel (canal bétonné)

y pavage du lit par des blocs en pierre (couche de pavage artificiel) y renforcer le lit par de gros blocs (rocher ou éléments en béton)

Î Réduction de la pente du lit

y fixation du lit par des traversées (seuils en bois, pierres de taille, béton) y fixation du lit par des rampes de blocs

y changement du tracé du cours d'eau (prolongement du talweg par des méandres, etc.)

Diverses possibilités

Aménagements de cours d’eau

Protection contre les érosions Protection contre les érosions

Î Elargissement du lit

y élargissement sur longues distances y élargissement local

y dérivation partielle du cours d'eau dans un lit secondaire

Î Intervention sur le transport solide

y renversement du gravier dans le cours d'eau (localement à l'amont du tronçon érodé)

Diverses possibilités ^(suite)